第15章 数字量与模拟量的转换

1、 第15章数字量与模拟量的转换n151数模转换器(DA转换器)n152模数转换器(AD转换器)n【本章主要内容】本章主要介绍数模转换器(DA转换器)和模数转换器(AD转换器)的基本原理、电路构成及常用集成芯片。 n【引例】在计算机系统中，传感器输出的信号经滤波、放大后，通过模数转换器变换成数字信号，输入单片机中进行分析和处理后，输出数字信号，这时就需要将数字信号再通过数模转换器变换成模拟信号。图150-1所示电路是由集成同步十六进制加法计数器74LS161和4位数模转换电路构成的数模转换电路，那么这4位数模转换器是怎样工作的呢?对应每一个数字量，输出电压是多少?输出电压的波形是什么波形?学完本

2、章内容后可解答这些问题。 n图150-1数字波形产生电路151数模转换器(DA转换器)n数模转换器是将数字信号转换成模拟信号的电路，简写成DAC(Digital to Analog Converter)，其内部组成原理框图如图151-1所示。它是由数码寄存器、数字控制电子模拟开关、解码网络及求和电路构成的。n图151.1 DA转换器的工作原理1511 D/A转换器的工作原理n数模转换器根据解码网络可分为权电阻型、T形和倒T形电阻网络、权电流型、权电容型、开关树型等。图151-2为4位倒T形电阻网络DAC的原理电路，它由倒T形电阻网络及求和放大器构成。n图151-2倒T形电阻网络DAC的原理电路

3、n其中D3、D2、D1、D0为数字量输入，D3为最高位(MSB)，D0为最低位(LSB)；S3、S2、S1、S0为电子模拟开关，受数字量控制。当数字量输入端为高电平时，开关合到右侧，有电流流入运算放大器的反相输入端；当数字量输入端为低电平时，开关合到左侧，电流流入运算放大器的同相输入端，即地端；UREF为参考电压输入端，可正可负。n 根据理想运算放大器的“虚断”，可得输出电压为n uo=-iRf (151-1)n由于理想运算放大器具有“虚短”和“虚地”的特点，则有n u-u+=0n即无论开关合在哪一方，电阻2R都接到地电位上。不同的是，当输入的数字量为高电平时，电流流入i；当输入的数字量为低电

4、平时，电流流入地中。故式(151-1)可写成(151-2)n其中I3为输入D3D2D1D0=1000时流向运算放大器反相输入端的电流；I2是输入为D3D2D1D0=0100时流向运算放大器反相输入端的电流；I1是输入为D3D2D1D0=0010时流向运算放大器反相输入端的电流；I0是输入为D3D2D1D0=0001时流向运算放大器反相输入端的电流。n 根据叠加原理，当输入数字量为D3D2D1D0=1000时，其倒T形电阻网络的等效电路如图151-3所示。故此时图151-3 当输入数字量为D3D2D1D0=1000时的电路n同理，当输入数字量为D3D2D1D0=0100时，其倒T形电阻网络的等效

5、电路如图151-4所示。此时图15.1-4 当输入数字量为D3D2D1D0=0100时的电路n当输入数字量为D3D2D1D0=0010时，其倒T形电阻网络的等效电路如图15.l-5所示。此时流向运算放大器反相输入端的电流为 当输入数字量为D3D2D1D0=0001时，其倒T形电阻网络的等效电路如图15.l-6所示。此时流向运算放大器反相输入端的电流为15.1-5(151-6)图151-5 当输入数字量为D3D2D1D00010时的电路图151-6当输入数字量为D3D2D1D0=0001时的电路n将式(151-3)至式(151-6)代入式(151-2)中，可得n若取Rf =R，则式(151-7)

6、可写成15.1-715.1-8n由式(151-8)可以看出，输出的模拟电压正比于输入的数字量。一般地，对于n位DA转换器，其通用式为15.1-91512集成D，A转换器简介n图151-7所示为比较常用的集成：DAC芯片8位DAC0832的内部构成框图，其中含有两个8位数据缓冲寄存器、8位倒T形DA转换器、逻辑控制电路及输出电路的辅助电阻元件Rfb，其引脚图参见附录5。n 各引脚功能如下：n 控制信号：、ILE、1、2、n、ILE、1三个信号配合在一起，用于控制8位输入寄存器的操作，为片选通信号，低电平有效；为输入寄存允许信号，高电平有效；嘲为输入寄存器的写信号，低电平有效；只有当和1为低电平且

7、ILE为高电平时，数字量DI0DI7才能寄存到输入n寄存器中。2和这两个信号配合在一起，控制8位DAC寄存器的操作，2为DAC寄存器的写信号，低电平有效：为传送控制信号，低电平有效，只有当二者同时为低电平时，输入寄存器中的数字量才能写入8位DAC寄存器中。图151-7集成DAC0832的内部组成框图n输入数字量：DI0DI7n DI0DI7为8位自然二进制码的数字量输入，其中DI0为最低位(LSB)，DI7为最高位(MSB)。n 电源、地：UREF、UCC、DGND和AGNDn UREF为参考电压，取值范围为-10+10V；VCC为电源电压，取值范围为+5+15V，最佳工作状态时为15V；DG

8、ND和AGND分别为数字电路地和模拟电路地，使用时将最近的两个“地”点短接且只能在一点短接，以减少干扰。n 模拟电流输出：IOUT1和IOUT2n DAC0832为电流输出型DA转换器，要获得电压信号，必须外接运算放大器，IOUT1和IOUT2通常接运算放大器的输入端。n 反馈电阻连接端：Rf bn 在DAC0832中，其内部倒T形电阻网络的电阻R与Rfb相等，约为15k，故运算放大器反馈电阻不需要外接。n DAC0832为8位数模转换器，其典型连线电路如图151-8所示，这是一种直通工作方式。其输出电压为 (151-10)DAC0832的直通工作方式是指两个寄存器均处于工作状态，输出电压随数

9、字量的改变而变化，一般用于模拟量能直接迅速地反映数字量变化的系统。 DAC0832除了直通工作方式外，还有单缓冲工作方式和双缓冲工作方式。单缓冲工作方式是DAC0832中的两个寄存器中的一个处于直通方式，另一个处于受控方式；双缓冲工作方式是DAC0832中的两个寄存器均处于受控状态。图151-9所示为DAC0832的双缓冲工作方式连线图。图151-8 DAC0832的直通工作方式 图151-9 DAC0832的双缓冲工作方式思考题 151-1 DAC中的运算放大器有何作用?152模数转换器(AD转换器)n 1521 AD转换器的工作原理n模数转换器(AD转换器)是将模拟电压通过采样、量化、编码

10、而转换成数字量的电路，简称为ADC(Analog toDigital Converter)，其原理框图如图152-1所示。由于输入的模拟电压在时间和幅度上都是连续的，而输出的数字信号无论是时间上还是幅度上都是离散的，因此在模数转换过程中，只能对一系列选定时刻对输入电压取值，然后转换成数字量输出，因此模数转换过程包含了采样、保持、量化和编码4个过程。图152-1模数转换器原理框图n采样就是按照一定的时间间隔周期性地读取输入模拟电压的数值，从而使模拟输入电压在时间上离散化。保持是在连续两次采样之间，将上一次采样的电压保持到下一次采样开始，以便将保持的电压数字化处理。采样保持后，就要对时间离散的电压

11、进行数值上的离散化处理，这就是量化编码过程，最后输出对应的数字量。nAD转换器的类型很多，可分为直接型和间接型模数转换器，直接AD转换器将输入模拟信号直接转换成数字信号输出，典型电路是并行比较型AD转换器和逐次逼近型AD转换器：而间接型AD转换器先将输入模拟信号转换成中间量(如时间、频率等)，再转换成数字量，比较典型的AD转换器有双积分型AD转换器和电压一频率转换型AD转换器。n 图152-2所示为n位逐次逼近型AD转换器的原理框图，它主要由电压比较器、逻辑控制电路、逐次逼近寄存器及DA转换器组成。n转换开始前，先将寄存器清零，DA转换器输入的数字量也全为“0”。当转换控制信号uL为高电平时，

12、转换开始，并在时钟信号CLK的作用下将寄存器输出的最高位置“1”，其他位置“0”，即DA转换器的输入为Dn-1Dn-2D1D0=1000，经过DA转换器转换后输出相应的模拟电压uo，uo与输入模拟电压u相比较。若uoui，说明Dn-1Dn-2D1D0=1000偏大，Dn-1的1清除；如果uoui，说明Dn-1Dn-2D1D0=1000偏小，则Dn-1的1保留。接下来，第二次转换开始时，将寄存器的次高位置成“1”，同样进行比较，逐位比较下去，直到最低位D0，比较完毕后，取寄存器输出的数字量即为对应ui的数字量。图152-2 n位逐次逼近型DA转换器原理框图1522集成A/D转换器简介nAD080

13、9为集成8位模数转换器，其内部结构框图如图152-3所示，主要由8通道多路模拟开关、地址锁存与译码电路、8位逐次比较型AD转换器和三态输出锁存缓冲器构成。n 各引脚功能如下：n模拟信号输入端INoIN7为8路模拟电压输入，可由8通道多路模拟开关选择其中一路送入8位AD转换器进行转换。图152-3集成AD转换器ADC0809的内部结构框图数字信号输出端数字信号输出端D0 0DD7 7为为AD转换器输出的转换器输出的8位二进制数，位二进制数，其中其中D7 7为最高位为最高位(MSB)，D D0 0为最低位为最低位(LSB)。 地址信号输入端地址信号输入端A2 2、A1 1、A0 0为译码器三位地址

14、输入端，为译码器三位地址输入端，经过经过3位地址锁存和译码后，控制选择哪一路模拟电压进行位地址锁存和译码后，控制选择哪一路模拟电压进行模数转换，其对应关系如表模数转换，其对应关系如表152-1所示。所示。控制与状态信号控制与状态信号ALE、OE、CLK、START及及EOC，其中，其中ALE为地址锁存允许信号，当输入脉冲为上升沿时，将为地址锁存允许信号，当输入脉冲为上升沿时，将3位位地址输入地址输入A2 2、A1 1、A0 0存入地址锁存器中。存入地址锁存器中。OE为输出允许信为输出允许信号，当为高电平时，允许从三态输出锁存缓冲器中取出数字号，当为高电平时，允许从三态输出锁存缓冲器中取出数字量

15、。量。CLK为时钟脉冲信号，频率范围为为时钟脉冲信号，频率范围为101280kHz。START为转换启动信号，在其上升沿到来时，将逐次逼近寄为转换启动信号，在其上升沿到来时，将逐次逼近寄存器清零，在其下降沿到来时，开始进行转换。存器清零，在其下降沿到来时，开始进行转换。EOC为转换为转换结束的状态标志，结束的状态标志，EOC为低电平时，表示转换正在进行中，为低电平时，表示转换正在进行中，当当EOC为高电平时，表示为高电平时，表示AD转换结束，故转换结束，故EOC可以作为可以作为数据接收设备开始接收数据的信号。数据接收设备开始接收数据的信号。n表152-l 地址输入与模拟信号的选择关系表电源电压

16、电源电压VCC、基准电压、基准电压VREF(+)REF(+)和和VREF(-)REF(-)及地及地GND。电源电压。电源电压VCCCC为为5V为为5VREF(+)REF(+)和和VREF(-)REF(-)为基为基准电压，其典型值为准电压，其典型值为VREF(+)REF(+)=5V=5V，VREF(-)REF(-)=0V=0V。n利用ADC0809进行模数转换时，其工作过程如下：n 1输入三位地址A2、A1、A0，在ALE上升沿到来时进行锁存，从而选通ADC0809的某一路输入模拟信号；n 2当发出转换启动信号START时，上升沿将逐次逼近寄存器清零，下降沿时开始转换，转换结束状态标志ECO为低

17、电平。其转换过程是在时钟脉冲CLK的控制下进行的，转换结束后，ECD翻转为高电平。n 3在OE端输入低电平，输出转换结果。n ADC0809常和单片机相配合，构成数据采集系统，也可构成数字电压表、保密电话系统等，应用非常广泛。表152-2 4位同步二进制加法计数器的状态转换表图152-4引例电路的输出电压波形思考题思考题15152-1逐次逼近型逐次逼近型ADC是如何工作的是如何工作的?【引例分析引例分析】由于由于74LS161为集成同步十六进制计为集成同步十六进制计数器，根据式数器，根据式(151-8)可得可得这里这里D3 3、D2 2、D1 1、D0 0对应对应Q3 3、Q2 2、Q1 1、

18、Q0 0，计算，计算出对应数字量的输出电压值，如表出对应数字量的输出电压值，如表152-2所示。其所示。其输出电压波形如图输出电压波形如图152-4所示，由图中可以看出为所示，由图中可以看出为锯齿波。锯齿波。 本章小结n1数模转换器是将数字信号转换成模拟信号的电路，其内部电路形式很多，如电阻网络、T形电阻网络、倒T形电阻网络、权电流型、开关树等。本章只介绍了倒T形电阻网络的DA转换器及输出电压的求法，并在此基础上介绍了集成芯片DAC0832的内部结构及典型应用。n2模数转换器是将模拟信号转换成数字信号的电路，根据工作方式分为直接型和问接型，其中直接型有并行比较型和逐次逼近型，本章主要介绍了逐次逼近型AD转换器的结构及工作原理，并在此基础上给出了集成AD转换器ADC0809的内部结构及工作工程习习 题题 15-115-1某某DA转换器电路如题图转换器电路如题图15-1所示，当所示，当Qi i=1=1时，相时，相应的模拟开关应的模拟开关Si置于位置置于位置1；当；当Qi i=0=0时，开关时，开关Si i置于位置置于位置0。(1)求求uo o与数字量与数字量QD DQ QC CQ QB BQ QA A之间的关系式；之间的关系式；(2)若若U